无锁HashMap的原理与实现(无锁HashMap原理及实现详解)

原创

ithorizon 4周前 (10-20) 阅读数 10 #后端开发

无锁HashMap的原理与实现详解

一、引言

在多线程环境中，HashMap 的线程保险性是一个常见的问题。传统的HashMap在多线程下或许会出现线程保险问题，如数据丢失、覆盖等。为了解决这个问题，可以使用无锁HashMap（ConcurrentHashMap）。本文将详细解析无锁HashMap的原理及其实现。

二、无锁HashMap原理

无锁HashMap，也称为ConcurrentHashMap，是一种线程保险的变体，它在多线程环境中提供高效的并发访问。其核心原理如下：

分段锁（Segmentation）

锁机制（Locking Mechanism）

内存可见性（Memory Visibility）

三、分段锁

ConcurrentHashMap通过分段锁技术来节约并发访问的性能。所谓分段锁，就是将数据分为多个段（Segment），每个段有自己的锁。当线程访问某个数据时，只需要锁定对应的段，而不是锁定整个数据结构，从而缩减锁竞争。

ConcurrentHashMap内部使用一个Segment数组来存储数据，每个Segment本质上是一个小的HashMap。下面是分段锁的核心代码片段：


Segment[] segments = this.segments;
if ((tab = segments[index]) == null) {
    segments[index] = tab = new Segment(lf);
}

四、锁机制

ConcurrentHashMap使用两种锁机制：一种是用于插入、删除和更新的ReentrantLock锁；另一种是用于读操作的轻量级锁（Lightweight Locking）。

1. ReentrantLock锁：用于保护每个Segment的数据结构，确保在多线程环境下数据的完整性。

2. 轻量级锁：用于读操作，当没有线程进行写操作时，多个线程可以同时读取数据，节约并发读取性能。

以下是使用ReentrantLock锁的代码示例：


Segment s = (Segment) tabAt(tab, i);
if (s != null) {
    final Segment segment = s;
    if (!segment.isLockable())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    segment.lock();
    try {
        // 操作数据
    } finally {
        segment.unlock();
    }
}

五、内存可见性

内存可见性是指当一个线程修改了共享变量的值后，其他线程能够立即看到这个修改。ConcurrentHashMap使用volatile关键字和final关键字来保证内存可见性。

1. volatile关键字：用于修饰数组元素，确保数组元素的修改对其他线程立即可见。

2. final关键字：用于修饰Segment数组，确保数组元素的初始化对其他线程立即可见。

以下是使用volatile关键字的代码示例：


volatile Segment[] segments;

六、无锁HashMap实现

以下是一个简化的无锁HashMap的实现示例，仅用于展示核心原理，并非完整的ConcurrentHashMap实现。


public class LockFreeHashMap {
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;
    private Segment[] segments;
    public LockFreeHashMap() {
        segments = new Segment[INITIAL_CAPACITY];
        for (int i = 0; i < segments.length; i++) {
            segments[i] = new Segment<>();
        }
    }
    public V put(K key, V value) {
        int index = getIndex(key);
        Segment segment = segments[index];
        segment.lock();
        try {
            // 插入数据
        } finally {
            segment.unlock();
        }
        return null;
    }
    public V get(K key) {
        int index = getIndex(key);
        Segment segment = segments[index];
        segment.readLock();
        try {
            // 获取数据
        } finally {
            segment.readUnlock();
        }
        return null;
    }
    private int getIndex(K key) {
        return key.hashCode() & (segments.length - 1);
    }
    private static class Segment {
        private final ConcurrentHashMap map;
        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        private final ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
        public Segment() {
            map = new ConcurrentHashMap<>();
        }
        public void lock() {
            lock.lock();
        }
        public void unlock() {
            lock.unlock();
        }
        public void readLock() {
            readWriteLock.readLock().lock();
        }
        public void readUnlock() {
            readWriteLock.readLock().unlock();
        }
    }
}